一种基于相位码分多址的二次谐波表征系统

本发明属于非线性光学表征，具体涉及一种基于相位码分多址的二次谐波表征系统。

背景技术：

1、二次谐波产生(shg)，是近年发展起来的一种基于高强度激光照射材料产生二阶偏振的非线性光学显微表征技术。在众多表征方法中，二次谐波因其无损检测、高稳定性、操作简单等特点展示了其在材料界面电场和结构特性表征方面的能力。例如，可以利用二次谐波表征技术对sic晶圆的堆垛层错、位错等结构缺陷进行定位和识别、征材料中非均匀应变信息。同时，时间相关的二次谐波可以获得界面态密度与固定氧化物电荷的信息。

2、当前在晶圆表征领域，二次谐波表征技术受限于其设备的某些固有属性。这些设备主要采用单一光束技术，针对材料表面的单个点进行精确表征。尽管这种方法能够提供高度精确的数据，但其主要局限在于表征速度较慢，并且仅能对单一点进行分析。这种局限性在一定程度上阻碍了对材料全面特性的理解，由于无法有效地整合和分析多点数据，因此在效率上存在不足。

3、为了更加全面地理解材料的特性，对晶圆的整列或整个区域进行shg特性分析显得尤为重要。这种分析方法不仅提供对于特定点的详细信息，而且能够反映出材料整体的属性，这对于全面评估材料的特性至关重要。因此，开发一种能同时对多个点进行shg表征的设备对于提高整体表征效率具有显著意义。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在公开一种基于相位码分多址的二次谐波表征系统，同时对材料多个点进行表征，有助于对材料进行全面评估，提高二次谐波的表征效率。

2、本发明公开了一种基于相位码分多址的二次谐波表征系统，包括：入射光路组件、出射光路组件、参考光路组件、样品和样品台；

3、入射光路组件，用于对入射光路中主激光脉冲分束后的n路信号光束进行起偏和相位码分多址调制，得到n束携带相位地址码的信号光束，分别聚焦后照射样品台上的样品上，反射出n束shg的信号光束；

4、出射光路组件，用于接收n束shg的信号光束，分别进行准直、检偏、滤光和聚焦后，得到n束shg的探测光束；

5、参考光路组件，用于对主激光脉冲分束后的1束参考光束进行起偏、倍频、检偏、滤光、光程控制和聚焦后，形成shg的参考光束；

6、将n束携带shg的探测光束和shg的参考光束进行耦合和相干检测后，进行信号分束和n路的相位地址码解调后，检测出n路携带样品缺陷信息的shg表征。

7、进一步地，所述入射光路组件，包括：激光器、分束器、起偏器组、相位调制器组、信号发生器和发射端物镜组；其中，

8、所述激光器，用于产生主激光脉冲；

9、所述分束器，用于激光多路分束，将主激光脉冲分束成n束信号光束和1束参考光束；

10、所述起偏器组，用于对n束信号光束进行基频光的偏振态调整；得到符合测试要求的偏振角；

11、所述信号发生器，用于产生相位码分多址编码所需的n路相互正交的伪随机序列；

12、所述相位调制器组，用于对所述起偏器组输出每束信号光束分别采用所述信号发生器产生的1路伪随机序列进行相位调制，形成n束携带相位地址码的信号光束；

13、所述发射端物镜组，用于对相位调制器组输出的n束携带相位地址码的信号光束分别进行聚焦，使n束信号光束分别聚焦到样品上的对应位置；反射出n束shg的信号光束。

14、进一步地，所述出射光路组件包括接收端物镜组、检偏器组、滤光片、接收端耦合透镜组和信号采集器；其中，

15、所述接收端物镜组，用于分别对样品反射的n束shg的信号光束进行准直；

16、所述检偏器组，用于对接收端物镜组输出的n束光束分别进行偏振态选择；使偏振角符合测试要求的光束输出；

17、所述滤光片，用于对检偏器组输出的n束光束进行滤光，滤除基频光；

18、所述接收端耦合透镜组，用于对滤光片输出的n束光束分别聚焦到信号采集器的接收位置；

19、所述信号采集器，用于对进入接收位置的信号光束和参考光束进行相干检测，输出电信号。

20、进一步地，所述参考光路组件，包括：参考光起偏器、倍频晶体、参考光物镜、参考光检偏器、参考光滤光片、光程控制器、参考光耦合透镜组；

21、所述参考光起偏器，用于对从分束器中输出的1束参考光束进行基频光的偏振态调整，使参考光束的偏振角与信号光束的偏振角相同；

22、所述倍频晶体，用于对参考光起偏器输出的光束进行倍频，得到shg的参考光束；

23、所述参考光物镜，用于对所述倍频晶体输出的光束进行准直；

24、所述参考光检偏器，用于对所述参考光物镜输出的光束进行偏振态选择；将与信号光束偏振角相同的光束输出；

25、所述参考光滤光片，用于对所述参考光检偏器输出的光束进行滤光，滤除基频光；

26、所述光程控制器，用于对所述参考光滤光片输出的光束进行光程控制，使参考光束进入信号采集器的光程与出射光束的光程一致；

27、所述参考光耦合透镜，用于对所述光程控制器输出的光束进行聚焦，将所述光程控制器输出的光束聚焦到信号采集器的接收位置；以用于后续的相干检测。

28、进一步地，在所述参考光路组件中，还包括：第一光路调整组件和第二光路调整组件；

29、所述第一光路调整组件，用于将所述分束器输出的1束参考光束的光路调整到对准所述参考光起偏器，以进行参考光束的偏振态调整；

30、所述第二光路调整组件，用于将所述参考光滤光片输出的光束的光路调整到对准所述光程控制器，以进行参考光束的光程控制。

31、进一步地，所述二次谐波表征系统还包括处理控制单元，所述处理控制单元与信号采集器连接；用于对信号采集器进行相干检测后输出电信号，进行功率放大、信号分束、锁相、n路的相位地址码解调后，检测出n路携带样品缺陷信息的二次谐波信号；

32、所述处理控制单元，包括：功分放大器、相位地址码解调器和数控终端；

33、所述功分放大器，用于对信号进行功率放大和信号分路；输出的功率放大后的n路信号；

34、所述相位地址码解调器，用于对功率放大后的n路信号，分别利用与所述入射光路组件中相同的n路码分多址伪随机序列，分别进行地址码解调后，得到与n束信号光束照射样品位置对应的n路解调后的信号；

35、所述数控终端，用于对n路解调后的信号分别进行鉴频得到n路携带样品缺陷信息的shg表征。

36、进一步地，所述处理控制单元中的功分放大器和相位地址码解调器之间还连接有锁相电路；所述处理控制单元和入射光路组件共用一个信号发生器；

37、所述锁相电路，用于对n路信号分别进行锁相；经过锁定的各路探测信号与参考信号的起始相位偏差输入到信号发生器，调节信号发生器输出各路码分多址伪随机序列的相位，使采集到的信号与入射端的相位偏差为0，即各个光路的起始时间相同，以确保相干；经过锁相电路输出的各路信号和信号发生器生成的相位经过调整的各路码分多址伪随机序列，进行地址码解调后，得到与n束信号光束照射样品位置对应的n路解调后的信号。

38、进一步地，数控终端中还对n路解调后的信号其中1路信号经高精度adc实时采集信号幅度后，转换为对应的控制电压。控制电压被高压放大器放大后输出到光程控制器；所述光程控制器为压电光程控制器；所述光程控制器中的压电陶瓷在高压驱动下产生形变，推动光程控制器中的反射镜移动，从而调节参考光束的光程，调节信号光束和参考光束的相干状态，从而达到最佳的相干状态；

39、其中，参考光束的光程的调节步骤为：

40、1)得到当前的信号幅度值和控制电压值；

41、2)施加微小电压扰动；

42、3)比较扰动前后信号幅度；

43、4)若幅度增大，保持扰动方向；

44、5)若幅度减小，改变扰动方向；

45、6)迭代执行直至达到最大值。

46、进一步地，还包括：圆弧导轨、入射臂和出射臂；

47、圆弧导轨位于样品台正上方；入射臂和出射臂滑动装配于圆弧导轨上，均能绕样品台在圆弧导轨上滑动；

48、入射臂为入射光路组件的支撑结构，出射臂为出射光路组件的支撑结构；通过控制入射臂和出射臂在圆弧导轨上的位置，确定出入射到样品的信号光束的入射角，并使出射光路组件位于样品的反射光束中，实现在设定入射角下的样品检测。

49、进一步地，样品台设置有运动模块，使样品在空间中移动位置，使激光能够表征样品的全部区域；

50、所述运动模块包括：xy面运动模块以及绕z轴的旋转模块；xy运动模块用于调整被测材料的所在位置，使所述二次谐波多线程检测系统运行中可以完成步进扫描；绕z轴的旋转模块使被测材料围绕检测中心点旋转，用于调整检测过程中的方位角，获得被测材料shg与方位角的依赖性。

51、本发明可实现以下有益效果之一：

52、与现有二次谐波表征系统相比，本发明的基于相位码分多址的二次谐波表征系统可以同时进行待检测材料多个点的二次谐波表征，有效的提高二次谐波表征系统的表征效率。

53、另外，该多线程二次谐波表征系统中，承载待检测材料的样品台置有运动模块，该运动模块可以使样品台及其承载的待检测材料进行多维度的移动，包括x、y、z方向上的移动已经xy平面法线方向为轴的360度旋转，从而改变入射光的方位角。而样品台上方的圆弧导轨可以控制基频光的入射角，入射臂的起偏器组对基频光的偏振角调整，提供测试所需要的偏振角。

54、综上，该多线程二次谐波表征系统中的各个器件相互配合，可以实现二次谐波表征中方位角、入射角以及偏振角依赖性的检测。